水工建筑物的消能設計問題探討

吳曉勇 金淑南 熊鷺

【摘要】在社會經濟持續增長背景下，水工建筑數量和規模不斷擴大，同時也對新時期的水工建筑物的建筑質量提出了更高的要求。水工建筑物建設前，需要充分做好前期設計工作，尤其是消能設計的合理性，直接關乎到水工建筑物的整體建設安全和質量，對于后續的水利工程運行安全意義較為深遠。本文就水工建筑物的消能設計中存在的問題進行分析，提出合理對策予以實踐。

【關鍵詞】水工建筑物；效能設計；問題；穩定性

水利工程關乎社會民生，在新時期社會經濟增長背景下，水利工程規模進一步擴大。為了能夠充分發揮水工建筑物的防洪、農田灌溉和水力發電作用，應該做好前期的水工建筑物消能設計工作。但是由于水工建筑物消能設計需要考慮的內容較為多樣，很容易受到客觀因素影響，導致消能設計出現缺陷和不足，為后續的水利工程建設埋下安全隱患。所以，需要提高設計人員的專業能力，全方位考量，優化水工建筑物的消能設計，促使工程原有作用充分發揮。加強對其研究，可以為后續工作開展奠定基礎，具有一定促進作用。

一、工程概況

某工程為引水工程，屬于大型水利樞紐工程。由于灌區內需要通過七一大渠，占用了部分灌溉面積，該渠首為低水頭飲水樞紐。一旦出現安全事故，將帶來嚴重的危害和經濟損失，所以可以適當的降低工程等級，按照Ⅲ級建筑物進行設計，洪水標準按照50年一遇標準進行考量。該地區地基承載能力超過30t/㎡。河床砂礫石內摩擦角度為水上39°，水下30°，引水高程大概在1476m左右。

二、水工建筑物的消能設計控制

（一）消能設計的不利因素

由于不同水利工程水閘類型的多樣性，所以需要綜合考慮消能設計條件，在消能設計中能夠考慮上下游水位、閘門啟閉和閘流量等問題。消能設計工作較為復雜，涉及內容較廣，設計條件好壞是是消能設計中主要考慮的問題之一。在具體的消能設計中，設計人員需要保證科學計算閘下消力池水力情況后，可能出現計算深度異常問題，但并非是深度過大，而是難以滿足預期消能目標。通過大量的實踐研究分析，發現導致水工建筑物的消能設計效率偏低的原因表現在以下幾個方面：（1）上有洪水流量和下游潮位變化較快，相應的導致過閘水流水位和流量隨之變化。在消能設計中，如果設計人員考慮不全面，或是簡單的設定一個上下游水位，可能出現消力池計算失誤問題。（2）下游水位較低情況下，如果僅僅考慮閘門開度和啟閉順序，未能合理分析下有水面曲線，同樣可能導致消能效果處于一個較低水平。（3）未能充分結合工程情況，設置相配套的消力墩，可能在后續工程投入使用中出現水躍問題。

（二）消能設計控制對策

就消能池來看，主要有綜合式消力池、挖探式消力池和尾坎式消力池幾種類型。消力池深度和池底高程設計中，需要綜合考量消力池上下游水位和流量，在把握工程相關地質條件基礎上進一步確定。但同時，可能出現池深結果出現負值問題，理論上可以不設置消力池，但是工程具體施工中，條件允許情況下仍然需要設置1m左右的消力池，主要是起到穩定水躍位置的作用，動態調整消力池流速分布情況，實現消能目的。

水平護坦方面，由于并未出現水躍現象，所以需要設置較長的消力池，但是這種結構難以滿足當前消力池泄流量需要，所以在工程施工中很少應用。如果是選擇挖深式消力池，可能會出現強迫水躍現象，較之自由水躍而言時間更短，但是穩定性也將隨之提升。

工程消能控制設計中，本閘主要是在平原地區，河床抗沖刷能力較小，所以選擇底流式消能設計，采用全開宣泄洪水，無須消能處理。閘前為正常高水位1.8m，布局開啟閘門，宣泄流量較小，下游水位不高，流速較大，在這樣的沖刷作用下逐漸形成沖刷河床現象，需要借助相應的消能裝置予以解決，確保無論高度多少情況下都可以淹沒式水躍消能。采用閘前水深為2.4m時，閘門局部開啟，為消能防沖設計提供良好的控制條件。與此同時，為了可以有效降低工程造價，確保水閘安全運行，需要嚴格遵循閘門操作規程，優化工程設計，開啟度組合計算，尋找合理的消力池控制條件，合理計算后尋求降低工程造價的條件，但同時避免消力池過深，影響到消能效果。

（三）消力池底板厚度確定

消力池底板也可以將其稱之為護坦，需要承受高速水流沖刷力，同時還需要承擔起頂托作用。消力池底板可以在地板范圍內產生小范圍的水躍，盡可能避免沖刷作用下形成河床沖刷現象。水工建筑中的消力池底板厚度需要充分滿足抗浮要求和抗沖要求，抗沖力主要是取決于底板表面水流沖擊力，而抗浮則受到閘基滲透揚壓力決定。由于兩種壓力所屬性質不同，所以選擇的分析方法同樣存在明顯的差異。

結合具體的抗沖刷要求，結合沖量原諒來確定底板厚度。消力池底板首位厚度設計不合理，一般情況下首末端底板厚度為2：1，結合抗浮實際要求，如果選擇同等厚度的消力池底板局限性較大，將嚴重影響到消力作用。故此，為了能夠有效提升消能效果，應該盡可能在消力池斜坡末端有效控制水躍，促使斜坡揚壓力遠遠超過其他區域的揚壓力，尤其是首端。所以，一般情況下消力斜坡段底板厚度要遠遠高于平坦區域。

消力池底板厚度設計十分關鍵，具體主要包括兩個方面，結合抗沖要求來確定底板厚度，然后結合抗浮要求復核底板穩定性。選擇較大值，最終確定底板的厚度。

結論：

綜上所述，在水工建筑物消能設計中，需要充分提高對消能設計重視程度，深入剖析消能設計中存在的不利因素，尋求合理的控制措施予以實踐，同時提升設計人員的專業能力，綜合考量消能設計內容，確保工程原有作用充分發揮。

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